Аннотация:
Исследовательская группа Массачусетского технологического института (MIT) недавно разработала «живую печатную плату» из бактерий, объединив синтетическую биологию с электронной инженерией, чтобы открыть новый путь для будущих самовосстанавливающихся и программируемых биоэлектронных систем. Это достижение не только демонстрирует функциональную роль живых организмов в схемах, но также означает, что традиционные электронные устройства на основе кремния могут привести к смене парадигмы биологического мира.
Исследовательская группа использовала генно-инженерную кишечную палочку (E. coli) в качестве основного материала для точного регулирования внутренней сети экспрессии генов, позволяя бактериям реагировать на внешние электрические сигналы и выполнять логические операции. Бактерии закрепляются на специальной биосовместимой подложке, образуя структуру, похожую на традиционную печатную плату, но ее «провода» и «переключатели» состоят из живых клеток. При приложении определенного напряжения или химического сигнала генетическая схема внутри бактерий активируется, производя флуоресцентные белки или другие обнаруживаемые выходные сигналы, тем самым осуществляя передачу и обработку информации.
В отличие от традиционных электронных компонентов, эта биологическая схема обладает способностью самовоспроизводиться, самовосстанавливаться и адаптироваться к окружающей среде. Исследователи отметили, что бактерии могут восстанавливать свои функции путем деления и регенерации после повреждения, в то время как кремниевые чипы после повреждения необходимо заменять вручную. Кроме того, поскольку бактерии могут работать при нормальных температурах и давлениях, вся система потребляет очень мало энергии и, как ожидается, будет использоваться в имплантируемом медицинском оборудовании, датчиках мониторинга окружающей среды и даже в распределенных биокомпьютерных сетях.
Эксперименты показывают, что живая плата успешно реализует основные функции логических элементов (таких как «И», «ИЛИ» и «НЕ») и может выполнять простые арифметические операции. Команда также продемонстрировала сигнальные каскады между несколькими бактериальными модулями, продемонстрировав их потенциал для создания более сложных биологических вычислительных систем. Хотя текущая скорость вычислений намного меньше, чем у традиционных чипов, нельзя игнорировать его преимущества в биосовместимости, устойчивости и функциональном разнообразии.
Руководитель проекта сообщил, что следующий шаг будет сосредоточен на повышении стабильности схемы, продлении времени выживания бактерий и изучении возможности интеграции с другими биологическими материалами (такими как нейроны или каркасы тканевой инженерии). В долгосрочной перспективе этот тип «живой электроники» может стать ключевым компонентом человеко-компьютерных интерфейсов, интеллектуальных систем доставки лекарств и даже искусственных форм жизни.
Это исследование было опубликовано в последнем номере журнала «Природная биотехнология», что вызвало широкую дискуссию в академическом сообществе по поводу концепции «биология — это аппаратное обеспечение». При дальнейшей интеграции синтетической биологии и микроэлектроники в будущем могут появиться компьютеры, состоящие из клеток, организации, способные думать, и даже роботы с метаболическими способностями.
Комментарии